Vid avbildning på enkelmolekylnivå, små oregelbundenheter som kallas heterogeniteter blir uppenbara – egenskaper som går förlorade i högre skala, så kallad ensemble imaging. På samma gång, det har tills nyligen varit utmanande att utveckla självlysande sonder med fotostabilitet, ljusstyrka och kontinuerlig emission som krävs för mikroskopi med en enda molekyl. Nu, dock, forskare i Molecular Foundry vid Lawrence Berkeley National Lab, Berkeley, CA har utvecklats uppkonverterande nanopartiklar (UCNP) under 10 nm i diameter vars ljusstyrka under enpartikelavbildning överstiger den för befintliga material med över en storleksordning. Forskarna säger att deras resultat gör en rad tillämpningar möjliga, inklusive cellulära och in vivo bildbehandling, samt rapportering om lokala elektromagnetiska närfältegenskaper för komplexa nanostrukturer.

Dr. P. James Schuck diskuterade uppsatsen att han, Dr Bruce E. Cohen, Dr Daniel J. Gargas, Dr Emory M. Chan, och deras medförfattare publicerade i Naturens nanoteknik , börjar med de viktigaste utmaningarna som forskarna stötte på i:

• utveckla självlysande sonder med fotostabiliteten, ljusstyrka och kontinuerlig emission som krävs för mikroskopi med en enda molekyl
• utvecklar lantaniddopad under 10 nm uppkonverterande nanopartiklar (UCNP) en storleksordning ljusare under enpartikelavbildningsförhållanden än befintliga kompositioner, lantanider är övergångsmetaller med egenskaper som skiljer sig från andra grundämnen

"De vanligaste emittnarna som används för avbildning av en molekyl – organiska färgämnen och kvantprickar – har betydande begränsningar som har visat sig vara extremt utmanande att övervinna, " Schuck säger till Phys.org. Han förklarar att organiska färgämnen i allmänhet är de minsta sonderna (vanligtvis ~1 nm i storlek), och slås på och av slumpmässigt. Detta "blinkande" är ganska problematiskt för avbildning av en molekyl, han fortsätter, och vanligtvis efter att ha skickat ut ungefär 1 miljon fotoner kommer det alltid att vara fotoblekmedel - det är, stänga av permanent. "Det här kan låta som många fotoner till en början, "Schuck säger, "men detta betyder att färgämnena slutar avge efter bara cirka 1 till 10 sekunder under de flesta avbildningsförhållanden. UCNP blinkar aldrig."

Dessutom, Schuck fortsätter, det visar sig att samma problem finns för fluorescerande kvantpunkter, eller Qdots , också. Dock, medan det är möjligt att göra Qdots som inte blinkar eller fotobleker, detta kräver vanligtvis tillägg av lager till Qdot, vilket gör dem för stora för många bildbehandlingstillämpningar. (En kvantprick är en halvledarnanokristall som är tillräckligt liten för att uppvisa kvantmekaniska egenskaper.) "Våra nya UCNP är små, och inte blinka eller bleka."

På grund av dessa egenskaper, han noterar, UCNP:er har nyligen genererat stort intresse eftersom de har potentialen att vara idealiska självlysande etiketter och sonder för optisk avbildning - men den stora vägspärren för att förverkliga deras potential hade varit oförmågan att designa sub-10 nm UCNP:er som är tillräckligt ljusa för att avbildas vid enkel- UCNP -nivå.

"Detta tar mig till det som förmodligen är det viktigaste medhållet från vårt arbete, vilket är upptäckten och demonstrationen av nya regler för design av ultraljus, ultrasmå UCNP enkelmolekylära sonder, "Säger Schuck. Dessutom har han betonar att dessa nya regler står i direkt kontrast till konventionella metoder för att skapa ljusa UCNP. "Som vi visade i vår tidning, vi syntetiserade och avbildade UCNP:er så små som ett enda fluorescerande protein! För många bioavbildningstillämpningar, mycket små – säkerligen mindre än 10 nm – självlysande prober krävs eftersom du verkligen behöver etiketten eller sonden för att störa systemet som de sonderar så lite som möjligt."

Schuck nämner en annan fördel med att uppkonvertera nanopartiklar – nämligen, de fungerar genom att absorbera två eller flera infraröda fotoner och sända ut synligt ljus med högre energi. "Eftersom nästan allt annat material inte uppkonverteras, vid avbildning av UCNP i ett prov, det finns nästan ingen annan autofluorescerande bakgrund som härrör från provet. Detta resulterar i god bildkontrast och höga signal-till-bakgrundsnivåer." medan organiska färgämnen och Qdots också kan absorbera IR-ljus och avge ljus med högre energi via en olinjär två+ fotonabsorberingsprocess, excitationskrafterna som behövs för att generera mätbara två-fotonfluorescenssignaler i färgämnen och små Qdots är många storleksordningar högre än vad som behövs för att generera uppkonverterad luminescens från UCNPs. "Dessa höga makter är generellt dåliga för prover och en stor oro i bioimaging -samhällen", understryker Schuck, "där de kan leda till skada och celldöd."

Schuck noterar att två andra viktiga aspekter som är centrala för upptäckterna som nämns i tidningen-med hjälp av avancerad enkelpartikelkarakterisering, och teoretisk modellering – var en konsekvens av den multidisciplinära samarbetsmiljön på Gjuteriet. "Denna studie krävde att vi kombinerade fotofysik med en molekyl, förmågan att syntetisera ultralåga uppkonverterande nanokristaller av nästan vilken komposition som helst, och avancerad modellering och simulering av UCNP optiska egenskaper, " säger han. "Att noggrant simulera och modellera det fotofysiska beteendet hos dessa material är utmanande på grund av det stora antalet energinivåer i dessa material som alla interagerar på komplexa sätt, och Emory Chan har utvecklat en unik modell som objektivt tar hänsyn till alla de över 10, 000 övergångar från grenrör till grenrör inom det tillåtna energiområdet."

Tidigare, Schuck säger att den konventionella visdomen för att designa ljusa UCNP:er hade varit att använda en relativt liten koncentration av emitterjoner i nanopartiklarna, eftersom för många sändare kommer att leda till lägre ljusstyrka på grund av självsläckande effekter när UCNP-sändarkoncentrationen överstiger ~1%. "Detta visar sig vara sant om du vill göra partiklar som är ljusa under ensemblebilder - det vill säga, där en relativt låg excitationseffekt används – eftersom du har många partiklar som signalerar kollektivt, "Schuck förklarar." Men detta bryts ner under enmolekylära avbildningsförhållanden." I deras artikel, forskarna har visat att under de högre excitationskrafter som används för avbildning av enstaka partiklar, de relevanta energinivåerna blir mer mättade och självsläckningen minskar. "Därför, "Schuck fortsätter, "du vill inkludera i dina UCNPs en så hög koncentration av emitterande joner som möjligt." Detta resulterar i att nanopartiklarna nästan inte är självlysande vid ensembleförhållanden med låg excitationseffekt på grund av betydande självsläckning, men extremt ljus under enmolekylära avbildningsförhållanden.

En annan viktig konsekvens av detta fynd, Schuck tillägger, är att det borde förändra hur människor kommer att screena efter de bästa enmolekylära luminiscerande sonderna i framtiden. "Tills nu, " noterar han, "Folk skulle först titta för att se vilka sonder som var ljusa med förhållanden på ensemblenivå, skulle sedan bara undersöka den delmängden som möjliga enkelmolekylära sonder. Våra nya sonder skulle, självklart, har misslyckats med det screeningtestet!"

Schuck betonar återigen att "en viktig anledning till att denna upptäckt hände är att vi har experter inom alla nyckelområden i samma byggnad, och vi kunde snabbt iterera genom teorisyntes-karakteriseringscykeln. "

När det gäller framtida forskningsriktningar, konstaterar Schuck, forskarna följer några olika vägar. "Vi skulle verkligen vilja använda dessa nydesignade UCNP för bioimaging ... hittills, vi har bara undersökt de grundläggande fotofysiska egenskaperna hos dessa partiklar när de är isolerade på glas. Vi tror att en spännande och viktig applikation kommer att vara deras användning i hjärnavbildning – särskilt för djupa vävnader in vivo optisk avbildning av neuroner och hjärnans funktion.

Avslutningsvis, Schuck nämner andra forskningsområden som kan dra nytta av deras studie. "Jag tror att en primär tillämpning är att spåra en partikel i celler. Till exempel, han illustrerar, "märka specifika proteiner med individuella UCNP och spåra dem för att förstå deras cellulära kinetik."

På olika håll, Schuck tillägger, det visar sig att UCNP också är utmärkta sonder för mycket lokala elektromagnetiska fält. "Detta beror på att lantanider har en ganska unik uppsättning fotofysiska egenskaper som relativt utbredd magnetisk dipolemission, tillåter oss att undersöka optiska magnetfält, och mycket långa livslängder så att övergångar inte är starkt tillåtna, vilket gör att vi enklare kan undersöka kavitetskvantoptiska effekter som Purcell-förstärkningen av emission. Faktiskt, Schuck avslutar, ett experiment som använder UCNPs för att rapportera om närfältsstyrkorna och fältfördelningarna kring nanoplasmoniska enheter är just på gång."

© 2014 Phys.org